INTRODUCERE ÎN PROTEINELE FIZICE
Alexei Vitalievich Finkelstein
Principalele funcții ale proteinelor. Secvența de aminoacizi determină structura spațială, structura spațială este funcția. Reversul nu este adevărat. Proteine globulare, fibrilare și membrane. Structura primară, secundară, terțiară, cuaternară a proteinei. Biosinteza proteinelor; proteina pliată in vivo și in vitro. Modificări post-translaționale.
INTERACȚIUNI ELEMENTARE ÎN PROTEINE ȘI ÎNTREAGA
Stereochimia resturilor de L-aminoacizi. Valentine legături și unghiuri între ele. Fluctuațiile lor. Rotația în jurul legăturilor de valență. Grupa de peptide. Trans- și cis-prolină.
Interacțiunea Van der Waals: atracție la distanțe mari, repulsie la distanțe mici. Conformări permise ale reziduului de aminoacizi (hărți Ramachandran pentru glicină, alanină, valină, prolină).
Influența mediului acvatic. Legături de hidrogen. Natura lor electrică. Energia lor. Geometria lor este în cristale. Pierderea legăturilor de hidrogen în apă. Conceptul de entropie și energie liberă. Legăturile de hidrogen din lanțul proteic înlocuiesc aceleași legături ale acestui lanț cu apă; ca urmare, legăturile de hidrogen din lanțul proteic dobândesc - în mediul acvatic - natura entropică.
Elemente de termodinamică. Energie și potențial chimic liber. Interacțiuni hidrofobe. Legătura lor cu nevoia de saturare a legăturilor de hidrogen în apă. Disponibil pentru apă este suprafața nepolară a aminoacizilor și hidrofobia lor.
Influența mediului acvatic asupra interacțiunilor electrostatice. Câmpul electric la suprafață și în interiorul proteinei. Permeabilitatea dielectrică. Ecranarea încărcăturilor în soluțiile de sare. Măsurarea câmpurilor electrice în proteine utilizând ingineria proteinelor. Legături disulfură. Coordonarea legăturilor.
STRUCTURI SECUNDARE ALE CIRCUITE DE POLIPEPTID
Structura secundară a polipeptidelor. Spirale: 27. 310. , , poli (Pro) II. O structură antiparalelală și paralelă . -coturi. Metode de detectare experimentală a structurii secundare.
Elemente ale fizicii statistice. Relația temperaturii cu schimbarea energiei și a entropiei. Probabilități ale statelor cu energie diferită (distribuția Boltzmann-Gibbs). Funcția de partiție și relația sa cu energia liberă. Transformări transformaționale. Conceptul unei tranziții de fază de prim ordin (tranziția "tot sau nimic") și tranzițiile non-faze. Kinetica depășirii barierului de energie liberă sub transformări conformaționale. Conceptul de teorie a ratelor absolute de reacție.
Energie liberă de inițiere și alungire a -helixului. Teorema Landau și natura non-fazică a tranziției spiral-bobinei. Dimensiunea locului de cooperare în timpul spiralei de tranziție de tranziție. Stabilitatea -helixului în apă. Stabilitatea -structurii în apă. Rata formării structurii și -helix. Ce este o "incurcare"?
Proprietățile grupelor laterale ale resturilor de aminoacizi. Includerea resturilor de aminoacizi în structura secundară. Alanină, glicină, prolină, valină. Grupuri secundare nepolare, polar scurt și lung. Panouri laterale încărcate. Suprafețe hidrofobe pe structuri secundare în proteine.
STRUCTURA SPAȚIALĂ A PROTEINELOR
Proteinele fibrilare, funcțiile lor și structurile lor primare și secundare periodice; -keratină, mătase -fibroină, colagen. Ambalarea -spiralelor lungi și a foilor extensive .
Proteinele din membrană, caracteristici ale structurii și funcției lor. Bacardhodopsin, centru fotosintetic, porin. Permeabilitatea selectivă a porilor membranei. Conceptul efectului tunelului.
Proteine globulare. Reprezentarea simplificată a structurilor globulelor de proteine; clase structurale. Structura -proteine: -straturi, ambalarea lor longitudinală și perpendiculară. Antiparalelitatea predominantă a -structurii în proteinele . Răsucirea dreaptă a țevilor de -foi. Topologia proteinelor .
Structura proteinelor . Grinzi și straturi de spirale. Modelul unui glob quasisferic al -spiralelor. Ambalare densă la contactul -spiralelor. Structura proteinelor / : un strat paralel acoperit de elicoidale și / -cilindru. Topologia subunităților --. Structura proteinelor + . Lipsa unei legături directe între arhitectura unei proteine și funcția acesteia.
Principiile fizice ale structurii globulei de proteine. Structuri terțiare "standard". Principalele regularități observate în structurile globulelor de proteine: prezența straturilor separate - și separat ; raritatea buclelor suprapuse; lipsa paralelismului segmentelor structurale învecinate; o raritate a super-spiralelor din stânga. Statistici privind detaliile mici ale structurilor proteice. Tipicitatea alternării "cvasi-aleatorii" a aminoacizilor în structurile primare ale proteinelor globulare. Efectul stabilității elementului structural asupra rigorii selecției structurilor primare care nu distrug structura spațială a proteinei globulare sau: de ce apar frecvent unele structuri de proteine, în timp ce altele sunt rare?
TRANZIȚIILE COOPERATIVE ÎN PROTEINELE MOLECULE
Cooperări tranzitorii. Reversibilitatea denaturării proteinelor. Criteriul lui Van't Hoff pentru tranziția totală sau fără nimic. Denaturarea termică și rece. Cum arată proteina denaturată? Încurcătura și globul topit. Absența unei tranziții de fază a tipului "tot sau nimic" atunci când globulele polimerice "obișnuite" se umflă. De ce denaturarea proteinei globulare este o tranziție totală sau fără nimic? Degradarea ambalării strânse a miezului proteic și eliberarea grupurilor laterale. Penetrarea solventului în proteina denaturată, distrugerea globulelor topite. Diagrama stărilor de fază ale moleculei de proteină. Distanțele energetice dintre ambalajul nativ al lanțului proteic și al celorlalte globuri globulare: diferența fizică principală a lanțului proteic de la copolimerul aleator.
Auto-organizarea proteinelor in vivo. Pentru ce sunt chaperones? Auto-organizarea proteinei in vitro. Paradoxul Levintal. Căutați intermediari metastabili (acumulați) de pliere a proteinelor. Globul topit este un intermediar convențional pliabil. Plierea unor proteine se face fără intermediari metastabili. Căutarea și studiul stărilor tranzitorii instabile în plierea proteinei. Mecanism de nucleare de pliere. Abordări experimentale pentru determinarea nucleelor de pliere a proteinelor.
Soluția "paradoxului Levanthal": rețeaua de căi pliante rapide duce automat la o structură stabilă a lanțului. Pentru a face acest lucru, este necesar doar ca între stivuirea nativă a lanțului și alte falduri globulare să existe un decalaj energetic apreciabil. Discuții despre formarea anormal de lentă a unei structuri stabile în unele proteine (serpini, prioni).
PREDICȚIA ȘI PROIECTAREA STRUCTURILOR DE PROTEINE
Ideea abordărilor de predicție a structurilor secundare și spațiale ale proteinelor prin secvențele lor de aminoacizi. "Identificarea" structurilor proteice prin omologie de secvență. Izolarea structurilor stabile ale lanțului proteic. "Modele" de structuri proteice.
Proiectarea și proiectarea proteinelor.
Funcția proteinei și structura acesteia. Proteine care leagă ADN. Immunoglobines. Enzime. Centrul activ este "defectul" structurii globulare. Centrele catalitice și de legare la substrat. Inhibarea. Cofactori. Ioni multivalenti. Mecanism de cataliză enzimatică. Exemplu: proteine serine. Teoria stării tranzitorii în cataliză și confirmarea acesteia prin metodele de inginerie proteică. Recunoașterea "cheie-blocare". "Sită dublă" crește specificitatea. Corespondență indusă. Structura domeniului: kinaza, dehidrogenaza. Allosteria este interacțiunea centrelor active. Hemoglobina și mioglobina.
Întrebări de test
și
concluzie
LITERATURA RECOMANDATĂ
(care a servit și ca sursă a numeroaselor ilustrații pentru aceste prelegeri)
Adăugat la editarea cursului de lectură electronică:
Am evitat referințele în text pentru a facilita citirea, dar referințele la lucrările și sondajele originale sunt date în semnăturile din figuri și tabele.
Eu dedică memoria luminată a bunicului meu, biolog,
profesorii E.A. Finkelstein, comisar
cazarmă tifoidă a celui de-al 20-lea an, neîntreruptă
"Weismanist Morganist" pe locul 48.
prefață
Prelegerile oferite atenției dvs. sunt dedicate fizicii proteinelor, adică cele mai frecvente probleme ale structurii, autoorganizării și funcționării moleculelor de proteine.
Deoarece ceea ce vedeți înaintea dvs. este o înregistrare a cursului de lectură și nu o monografie și nu un manual, repetările (și, în special, repetările desenelor) sunt inevitabile aici. La urma urmei, în relatări reale, referințe precum "a se vedea figura 2 și formula 3 în prelegerea precedentă" sunt imposibile; dar am depus toate eforturile pentru a se asigura că astfel de repetări au fost minime.
Pe parcursul cursului nu va fi dor de o oportunitate de a prezenta acele idei fizice și, în special, elementele fizicii statistice și a mecanicii cuantice, care, din punctul meu de vedere, este absolut necesară pentru înțelegerea structurii și funcției proteinelor - și că „normal“ elev sau de biologie Am uitat cu fermitate la al patrulea an sau nu am știut niciodată.
Dar, dinspre marea informațiilor despre funcțiile de proteine, eu scot în evidență doar ceea ce este absolut necesar pentru a ilustra rolul jucat de structurile spațiale ale proteinelor în activitățile lor biologice - mai precis, biochimice.
Aceste prelegeri, bineînțeles, reflectă gusturile și atașamentele mele personale.
Ei au o mulțime de teorii și probleme fizice - și doar minimul necesar de fapte experimentale (și aproape nici o tehnică experimentală). Prin urmare, acestea nu înlocuiesc cursurile de proteine "biologice" biochimice și biochimice convenționale și nu ar trebui folosite ca referință. Vorbind despre proteine specifice, dau doar cele mai importante (ar trebui să spun - din punctul meu de vedere!) Exemple; Tabelele conțin numai datele absolut necesare; desenele sunt intenționat schematice; toate numerele sunt rotunjite, etc.
În plus, nu voi pierde ocazia să notez ce am făcut în fizica proteinelor la Institutul de proteine RAS. Acest lucru, desigur, va întări "elementul personal" al prelegerilor - și, cred, le va revigora puțin.
Îmi exprim profunda gratitudine O.B.Ptitsinu, a dezvoltat o serie de prelegeri pe fizica de proteine si citit-o pe Moscova ITP: însemnările sale stau la baza mai multe prelegeri ați oferit curs.
Sunt foarte recunoscător O.B.Ptitsinu, A.S.Chetverinu, Yu.V.Mitinu, G.I.Gitelzonu, D.S.Rykunovu, A.V.Skugarevu și D.I.Ivankovu pentru citirea manuscrisului și numeroase de ajutor comentarii și G.A.Morozovu, D.S.Rykunovu, A.V.Skugarevu, D.I.Ivankovu, M.Yu.Lobanovu, N.Yu.Marchenko, A.E.Zhumaevu și AA Finkelstein pentru ajutor în redactarea desenelor și a textului prelegerilor.
Sunt recunoscător A.A.Shumilinu, M.G.Dashkevichu și G.I.Gitelzonu pentru ajutor în proiectarea ediției de calculator a acestor cursuri, și în cele din urmă, - nu în ultimul rând - Fundația Rusă pentru Cercetare de bază și programul „Integrarea“ pentru sprijinul financiar al acestora Publicații de calculator și Howard Hughes medical Institute, pentru a sprijini furnizarea de munca mea de cercetare științifică internațională a-mi acorda.
Trimiteți-le prietenilor: